JP6193782B2 - 流体軸受の組み立て方法 - Google Patents

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Description

本発明は流体軸受の組み立て方法に関し、より特定的には、信頼性を向上することのできる流体軸受の組み立て方法に関する。
モータにおいては、ステータに対してロータを回転可能に支持するために、玉軸受や流体動圧軸受などが用いられている。このうち、流体動圧軸受は回転時に発生する流体の動圧を利用して、シャフトを軸架したものである。流体動圧軸受には、シャフト外周部もしくは、シャフトが挿入されるスリーブ内周部の少なくとも一方に動圧発生用の溝が配置されている。流体動圧軸受では、シャフトとスリーブの隙間に介在させた流体の発生動圧で、シャフトのラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受が形成される。さらに、シャフト下端部もしくは、シャフト下端部に対向した位置にスラスト受け部材が配置され、シャフト下端部もしくは、スラスト受け部材の少なくとも一方に配置された動圧発生用の溝にて発生した動圧で、シャフトのスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受が形成される。なお近年、シャフト下端部に動圧発生用の溝を配置せずに球面形状部を設け、シャフト下端部に対向した位置に動圧発生用の溝を有さないスラスト板を配置して荷重を受けるピボット式のスラスト軸受を、ラジアル軸受と複合させた構造も知られている。
流体動圧軸受において、軸受内部に気泡(空気)が介在すると、発生動圧の低下などにより軸受特性や軸受寿命等の性能悪化を引き起こすことになる。このため、軸受内に気泡を介在させない方法(脱気方法)がいくつか提唱されている。
たとえば下記特許文献1には、回転軸とスリーブとが回転可能に嵌合され、スラスト板に設けられた浅溝とスリーブの内周面とで動圧スラスト軸受を形成し、回転軸の外周面に設けられたヘリングボーン状の浅溝とスリーブの内周面とで動圧ラジアル軸受を形成した動圧軸受回転装置が開示されている。この動圧軸受回転装置においては、スリーブの内周面に逃げ部が形成されており、逃げ部には30度以下の角度のテーパー面が設けられている。
下記特許文献2には、2カ所のヘリングボーン溝と、ヘリングボーン溝の両端に形成されたオイルだまり段部と、軸受両出口付近に形成されたスパイラル溝とを含む軸受スリーブを備え、ヘリングボーン溝パターン、スパイラル溝パターン幅、およびオイルだまり段部長を所定の関係に設定した動圧軸受装置が開示されている。この動圧軸受装置において、軸受スリーブにおける2カ所のヘリングボーン溝の間には、リング状の逃がし部が形成されている。
さらに下記特許文献3には、スリーブを含むステータと、スリーブに回転可能に支持された回転軸を含むロータと、スリーブまたは回転軸のいずれか一方に形成された動圧発生溝と、スリーブに注油されたオイルとを備えた流体動圧軸受が開示されている。この流体動圧軸受において、シャフトの下端部にはテーパー面が設けられている。
特開平06−066315号公報 特開2006−275077号公報 特開2000−346075号公報
図12は、従来の流体動圧軸受の組み立て工程を模式的に示す断面図である。
図12を参照して、従来の流体動圧軸受の組み立て工程においては、スリーブ132の軸受孔141の下端部がスラストカバー133およびスラスト板134によって覆われ、かつ軸受孔141内にオイル131が注入された状態で、シャフト113を挿入することにより、流体動圧軸受が組み立てられていた。
しかしながら、オイル131の表面張力によってオイル131の液面曲率半径の最大値R102が小さくなる傾向があった。このため、シャフト113を挿入する際に、シャフト113の下端面がオイル131に接触する前にシャフト113の側面がオイル131と接触して、オイル131が軸受孔141の内壁面を上昇し、シャフト113の下部Uに空気が閉じ込められやすかった。その結果、空気が十分に排出されずにオイル131内に残留し、流体動圧軸受の信頼性の低下を招いていた。空気がオイル内に残留することによる信頼性の低下は、動圧を発生させるものに限らず、全ての流体軸受に共通する問題であった。この問題は、シャフトの下端部にテーパー面を設けることである程度解決することが可能であったが、その効果は十分ではなかった。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、信頼性を向上することのできる流体軸受の組み立て方法を提供することである。
本発明の一の局面に従う流体軸受の組み立て方法は、軸受孔を含むスリーブと、軸受孔内に挿入され、かつスリーブに対して回転可能であるシャフトと、軸受孔の一方の端部を覆い、かつスリーブに固定されるスラスト部と、スリーブとシャフトとの間に充填された液体とを備え、軸受孔は、一の直径を有する第1の部分と、第1の部分よりもスラスト部側の端部に存在し、一の直径と同等の直径を有する第2の部分と、第1の部分と第2の部分との間に設けられた大径部とを含み、大径部は、一の直径よりも大きな直径を有する流体軸受の組み立て方法であって、スラスト部によって一方の端部が覆われた軸受孔内に液体を注入する工程と、液体が注入された軸受孔内にシャフトを挿入する工程とを備え、液体を注入する工程において、軸受孔の内壁面と接触する部分の液体の液面を大径部内に位置させる
上記流体軸受において好ましくは、大径部は、スラスト部から離れる方向へ直径が小さくなるテーパー形状を有する空間を構成する内壁面によって構成される。
上記流体軸受において好ましくは、第2の部分を構成する内壁面と、大径部を構成する内壁面であって第2の部分を構成する内壁面に隣接する内壁面とがなす角度は、80度以上100度以下である。
上記流体軸受において好ましくは、軸受孔内にシャフトを挿入する前の液体の液面曲率半径の最大値は、シャフトにおけるスラスト部側の端面の曲率半径よりも大きい。
本発明によれば、信頼性を向上することのできる流体軸受の組み立て方法を提供することができる。
本発明の一実施の形態における流体軸受が適用されたポリゴンスキャナモータの一例を示す断面図である。 図1のポリゴンスキャナモータに含まれる流体軸受30の構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態におけるポリゴンスキャナモータの組立方法の第1の工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態におけるポリゴンスキャナモータの組立方法の第2の工程を示す断面図である。 図4のA部拡大図である。 角度θが90度を超える場合のオイル31の液面を模式的に示す図である。 組み立て後の流体軸受30の軸受孔41からシャフト13を引き抜いた状態を模式的に示す図である。 本発明の第1の変形例における流体軸受30の構成を示す断面図である。 本発明の第1の変形例において、軸受孔41内にシャフト13を挿入する際の様子を模式的に示す図である。 本発明の第2の変形例における流体軸受30の構成を示す断面図である。 本発明の第3の変形例における流体軸受30の構成を示す断面図である。 従来の流体動圧軸受の組み立て工程を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。
本実施の形態においては、レーザビームプリンタなどのレーザスキャニングに用いられるポリゴンスキャナモータ(ポリゴンミラースキャナモータ)に流体軸受が適用された場合に付いて説明する。しかし、本実施の形態の流体軸受は、どのような部品に適用されてもよく、ポリゴンミラースキャナモータの他、たとえばHDD(Hard Disk Drive)のディスクを回転駆動するためのHDDスピンドルモータなどに適用されてもよい。
[ポリゴンスキャナモータの構成]
図1は、本発明の一実施の形態における流体軸受が適用されたポリゴンスキャナモータの一例を示す断面図である。なお、以降の説明において、回転軸Rに沿ってスプリング51から離れてスラストカバー33に近づく方向(図1中下方向)を下方向と記し、回転軸Rに沿ってスラストカバー33から離れてスプリング51に近づく方向(図1中上方向)を上方向と記すことがある。
図1を参照して、本実施の形態におけるポリゴンスキャナモータは、ポリゴンミラーを駆動するものである。ポリゴンスキャナモータは、ロータ10(回転体の一例)と、ステータ20と、流体軸受30と、基板40と、ポリゴンミラー50とを主に備えている。ロータ10は流体軸受30によって、ステータ20に対して回転軸Rを中心として回転可能に支持されている。ロータ10は、ロータフレーム11、マグネット12、およびシャフト13を備えている。ロータ10において、シャフト13は、ロータフレーム11の中心部を貫くように図1における上下方向に延在している。ロータフレーム11は、回転軸Rを中心としてシャフト13とともに回転可能である。マグネット12は、ステータ20と対向するようにロータフレーム11に取り付けられている。
ロータフレーム11は、ロータフレーム11内部からの磁界の漏れを防ぐものであり、たとえば磁性体よりなっている。ロータフレーム11は、回転軸Rに対してたとえば垂直な方向(外周方向、図1中横方向)に延在する天井部14aと、回転軸Rに対してたとえば平行な方向(図1中縦方向)に延在する側壁部14bとを有している。天井部14aは平面的に見て円形状を有している。天井部14aの中心部にはシャフト13を通すための孔60が設けられており、ロータフレーム11は孔60においてシャフト13に固定されている。天井部14aの上部には、レーザ光を反射させるためのポリゴンミラー50がスプリング51によってシャフト13に固定されている。側壁部14bは、天井部14aの外径側端部から下方向に向かって延在している。側壁部14bは円筒形状であり、外周側を向いた面である外壁面11aと、内周側を向いた面である内壁面11bとを有している。マグネット12は、内壁面11bに取り付けられている。
ステータ20は、中央から径方向外側へ放射状に延びるように形成された複数のティース部21aを有するステータコア21と、ティース部21aの周囲に巻回されたステータコイル22とを備えている。ステータ20は、マグネット12と空間を隔てて対向するようにマグネット12よりも内周側に配置されている。ステータコイル22は、電流が流された場合に磁界を発生する。ステータコイル22の磁界とマグネット12の磁界との相互作用により、駆動力(ロータ10を回転させる力)が発生する。
基板40の中心部には孔61が形成されており、シャフト13および流体軸受30のスリーブ32が孔61を貫通している。なお図示しないが、基板40には、マグネット12から受ける磁界の変化に基づいてマグネット12の回転速度を検出するFGパターンや、ブラシレスモータを駆動および制御するための駆動・制御集積回路や、チップ型電子部品(抵抗、コンデンサ)や、各ステータコイル22への電圧の印加をオン/オフするためのパワーMOSアレイなどが形成されていてもよい。
なお、シャフト13の外径側端面およびスリーブ32の軸受孔41の内壁面のうち少なくとも一方に、動圧を発生させるための溝(動圧溝)を形成することにより、流体軸受30を流体動圧軸受としてもよい。この軸受孔41は、図のように貫通していてもよいし、塞がっていてもよい。マグネット12は、ロータ10側およびステータ20側のうち一方に設けられていればよく、ステータコイル22は、ロータ10側およびステータ20側のうち他方に設けられていればよい。
図2は、図1のポリゴンスキャナモータに含まれる流体軸受30の構成を示す断面図である。なお図2においては、流体軸受の一部のみが示されている。
図1および図2を参照して、流体軸受30は、シャフト13と、スリーブ32と、スラストカバー33およびスラスト板34(スラスト部の一例)とを含んでいる。スリーブ32は軸受孔41を含んでおり、シャフト13は軸受孔41内に挿入されている。シャフト13の外径側端面(外壁面)と、軸受孔41の内壁面と、スラスト板34とにより構成された空間(スリーブ32とシャフト13との間)には、オイル(液体の一例)31が充填されている。オイル31は、シャフト13、スリーブ32、およびスラスト板34の磨耗や摩擦を減少させ、焼き付きを防止する潤滑剤としての役割を果たす。
スラスト板34近傍における、軸受孔41内に面したスリーブ32の内壁面(軸受孔41の底面近傍)には、溝35(大径部の一例)が形成されている。軸受孔41は、溝35と、溝35の上側(スプリング51側)に存在する上部分41a(第1の部分の一例)と、溝35の下側(スラストカバー33側)に存在する下部分41b(第2の部分の一例)とを含んでいる。下部分41bは、好ましくは軸受孔41の下端部(スラスト部と接触する位置)に位置している。下部分41bは、上部分41aの直径D1と同等の直径を有しており、好ましくは上部分41aと同一の直径D1を有している。溝35は、直径D1よりも大きな直径D2を有している。直径D2は、回転軸Rに沿った方向で変化している。
シャフト13の下端面13aは曲面になっている。下端面13aは曲率半径R1を有している。
スリーブ32の下端面は階段状になっており、3つの端面32a〜32cにより構成されている。端面32a〜32cの各々は、内径側から外径側に向かってこの順序で設けられており、かつスリーブ32の上部から下部に向かってこの順序で設けられている。
スラストカバー33は、軸受孔41の下端部を覆っており、端面32bに固定されている。スラスト板34は、スラストカバー33とシャフト13の下端面13aとの間に配置されており、端面32aに取り付けられている。スラスト板34の上面の中央部はシャフト13の下端面13aと接触している。スラスト板34は、スリーブ32およびスラストカバー33からの押圧によりその外径部分が弾性変形した状態で、シャフト13とスラストカバー33との間に配置されている。
[ポリゴンスキャナモータの組立方法]
続いて、本実施の形態におけるポリゴンスキャナモータの組立方法について、図3〜図6を用いて説明する。
図3は、本発明の一実施の形態におけるポリゴンスキャナモータの組立方法の第1の工程を示す断面図である。
図3を参照して、スラストカバー33およびスラスト板34で軸受孔41の下端部を覆い、スラストカバー33をスリーブ32に固定する。次に、軸受孔41内にオイル31を所定量だけ注入する。スラスト板34に着地したオイル31は、軸受孔41の内壁面を上方向に伝っていく。そして溝35に達すると、オイル31の液面の上昇は制止する。その結果、軸受孔41内にオイル31が注入され、かつ軸受孔41内にシャフト13を挿入する前の状態では、軸受孔41の内壁面と接触する部分のオイル31の液面H2は、溝35内に位置している(言い換えれば、液面H2は、溝35の上端部と下端部との間に位置している)。
図4は、本発明の一実施の形態におけるポリゴンスキャナモータの組立方法の第2の工程を示す断面図である。図5は図4のA部拡大図である。
図4および図5を参照して、次に、軸受孔41内にシャフト13を挿入する。溝35は、たとえば内壁面35aと、内壁面35bとで構成されており、ここでは三角形の断面形状を有している。内壁面35aは、たとえば上方向へ直径が小さくなる線形のテーパー形状を有する空間を構成している。内壁面35aは、上部分41aを構成する内壁面に隣接している。内壁面35bは、下部分41bを構成する内壁面に隣接しており、かつ下部分41bを構成する内壁面との間で角部35cを構成している。回転軸Rを含む平面(シャフト13を含む平面)で切った断面(図4および図5の断面)で見た場合に、内壁面35bと下部分41bを構成する内壁面とがなす角度θ(角部35cの角度θ)は、ここでは90度である。なお、溝35の形状は任意である。
軸受孔41内にシャフト13を挿入する前の状態における、軸受孔41の内壁面と接触する部分のオイル31の液面H2は、オイル31の表面張力により立ち上がる(内壁面35aから離れる)。これはオイル31の液面曲率半径を小さくする方へ作用する。しかし、角部35c付近のオイル31の液面H3は、オイル31の表面張力により持ち上がる(角部35cから離れる)。これは、オイル31の液面曲率半径を大きくする方へ作用する。その結果、軸受孔41内にシャフト13を挿入する前の状態における、オイル31の液面曲率半径の最大値R2は、角部35cの作用により大きくなる。最大値R2は、従来のオイルの液面曲率半径の最大値よりも大きくなっている。
角度θは、最大値R2が、シャフト13の下端面13aの曲率半径R1よりも大きくなるように設定されることが好ましい。オイル31の液面曲率半径は、たとえば回転軸Rを含む平面でスリーブ32を切断し、その断面に透明板を接着することで密閉した軸受孔41内にオイル31を注入し、注入後のオイル31の液面をCCD(Charge Coupled Device)カメラなどで撮影することにより測定することができる。
図6は、角度θが90度を超える場合のオイル31の液面を模式的に示す断面図である。なお図6では、角度θが90度である場合のオイル31の液面を点線で示している。
図6を参照して、角度θが90度よりも大きくなるほど、オイル31の表面張力によりオイル31の液面を持ち上げる効果は弱くなり、オイル31の液面H3は下がる。その結果、角度θが90度を超える場合のオイル31の液面曲率半径の最大値R2は、角度θが90度である場合(図5の場合)のオイル31の液面曲率半径の最大値R2に比べて小さくなる。オイル31が持ち上がる効果を十分に得るためには、角度θが100度以下であることが好ましい。また、オイル31を内壁面35aと確実に接触させるためには、角度θが80度以上であることが好ましい。
シャフト13が挿入された後は、図2に示す状態となる。この際、溝35は空気の逃げ部としての役割を果たしてもよい。
本実施の形態によれば、シャフト13を軸受孔41に挿入する前の状態において、軸受孔41の内壁面と接触する部分のオイル31の液面H2が溝35内に位置しているので、角部35cによりオイル31の液面が持ち上がり、オイル31の液面曲率半径が大きくなる。これにより、シャフト13の側面がオイル31に接触する前にシャフト13の下端面13aがオイル31と接触しやすくなり、シャフト13の下部に空気が閉じ込められにくくなる。その結果、オイル31内から空気が十分に排出され、オイル31の充填率を向上することができ、流体軸受の信頼性を向上することができる。また、流体軸受の長寿命化を図ることができる。また、軸受内に空気を巻き込みにくいため軸受の負荷変動がなく、安定した回転が得られる。さらに、流体軸受を簡単な構造にすることができ、安価に提供することができる。
図7は、組み立て後の流体軸受30の軸受孔41からシャフト13を引き抜いた状態を模式的に示す図である。
図7を参照して、組み立て後の流体軸受30(組み立て後のポリゴンスキャナモータ)の軸受孔41からシャフト13を引き抜いた場合、軸受孔41の内壁面と接触する部分のオイル31の液面(天面)H1は、溝35内、もしくは溝35よりも下側(スラストカバー33側)に位置している(言い換えれば、液面H1は、溝35の上端部よりも下側に位置している)。
ここで、組み立て後の流体軸受30の軸受孔41からシャフト13を引き抜いた状態の液面H1(図7)よりも、軸受孔41内にシャフト13を挿入する前の状態の液面H2(図3)の方がスラストカバー33から離れている(高い)のは、次の理由による。シャフト13が軸受孔41内に挿入されると、シャフト13、および軸受孔41における溝35よりも上部の内壁面にオイル31が付着する。その後シャフト13が軸受孔41から引き抜かれると、シャフト13に付着したオイル31の一部がシャフト13とともに軸受孔41外へ除去される。また軸受孔41の内壁面に付着したオイル31の一部が、軸受孔41の下部に落ちずに軸受孔41の内壁面に残留する。その結果、軸受孔41の下部に存在するオイル31が減少し、液面H2が低下する。
[変形例]
図8は、本発明の第1の変形例における流体軸受30の構成を示す断面図である。図9は、本発明の第1の変形例において、軸受孔41内にシャフト13を挿入する際の様子を模式的に示す図である。
図8を参照して、第1の変形例の流体軸受30において、シャフト13の下部はテーパー状になっている。下端面13aに隣接するシャフト13の側面13bは、回転軸Rに対して傾斜している。これにより、テーパー面を構成するシャフトの側面13bの位置がより内側(回転軸R側)となるので、図9に示すように、シャフトの側面13bがオイル31に接触する前に下端面13aがオイル31と一層接触しやすくなり、シャフト13の下部に空気が閉じ込められにくくなる。
図10は、本発明の第2の変形例における流体軸受30の構成を示す断面図である。図11は、本発明の第3の変形例における流体軸受30の構成を示す断面図である。
図10を参照して、第2の変形例の流体軸受30において、スリーブ32の溝35は、矩形の断面形状を有している。言い換えれば、溝35は、上部分41aを構成する内壁面に隣接し、回転軸Rに対して垂直に延在する内壁面35dと、下部分41bを構成する内壁面に隣接し、回転軸Rに対して垂直に延在する内壁面35fと、内壁面35dおよび35fに挟まれ、回転軸Rに対して平行に延在する内壁面35eとによって構成されている。
図11を参照して、第3の変形例の流体軸受30において、スリーブ32の溝35は、半円の断面形状を有している。言い換えれば、溝35は、上部分41aを構成する内壁面と、下部分41bを構成する内壁面とに挟まれた弧状の内壁面によって構成されている。
[その他]
本発明の流体軸受は、外径側に設けられたステータに対して内径側に設けられたロータが回転するインナーロータ型のモータに適用されてもよい。また、本発明の流体軸受は、ロータとステータとが径方向で(周に沿って)対向する周対向型のモータに適用される場合の他、シャフトの延在方向に沿った下側に設けられたステータに対して、シャフトの延在方向に沿った上側に設けられたロータが回転する平面対向型のモータに適用されてもよい。また、シャフトが固定されスリーブが回転する軸固定型のモータに適用されてもよい。またマグネットは、シャフトを含む回転体に設けられてもよいし、スリーブを含む回転体に設けられてもよい。
さらに、本発明の流体軸受がブラシレスモータに適用される場合、そのモータの駆動方式は全波整流方式であってもよいし、半波整流方式であってもよい。
上述の実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 ロータ
11 ロータフレーム
11a ロータフレームの側壁部の外壁面
11b ロータフレームの側壁部の内壁面
12 マグネット
13,113 シャフト
13a シャフトの下端面
13b シャフトの側面
14a ロータフレームの天井部
14b ロータフレームの側壁部
20 ステータ
21 ステータコア
21a ティース部
22 ステータコイル
30 流体軸受
31,131 オイル
32,132 スリーブ
32a〜32c スリーブの端面
33,133 スラストカバー
34,134 スラスト板
35 溝
35a,35b,35d,35e,35f 溝の内壁面
35c 角部
40 基板
41,141 軸受孔
41a 軸受孔の上部分
41b 軸受孔の下部分
50 ポリゴンミラー
51 スプリング
60,61 孔
H1,H2,H3 オイルの液面
R 回転軸
R1 シャフトの下端面の曲率半径
R2,R102 オイルの液面曲率半径の最大値
U シャフトの下部

Claims (4)

  1. 軸受孔を含むスリーブと、
    前記軸受孔内に挿入され、かつ前記スリーブに対して回転可能であるシャフトと、
    前記軸受孔の一方の端部を覆い、かつ前記スリーブに固定されるスラスト部と、
    前記スリーブと前記シャフトとの間に充填された液体とを備え、
    前記軸受孔は、一の直径を有する第1の部分と、前記第1の部分よりも前記スラスト部側に存在し、一の直径と同等の直径を有する第2の部分と、前記第1の部分と前記第2の部分との間に設けられた大径部とを含み、前記大径部は、前記一の直径よりも大きな直径を有する流体軸受の組み立て方法であって、
    前記スラスト部によって前記一方の端部が覆われた前記軸受孔内に前記液体を注入する工程と、
    前記液体が注入された前記軸受孔内に前記シャフトを挿入する工程とを備え、
    前記液体を注入する工程において、前記軸受孔の内壁面と接触する部分の前記液体の液面を前記大径部内に位置させる、流体軸受の組み立て方法
  2. 前記大径部は、前記スラスト部から離れる方向へ直径が小さくなるテーパー形状を有する空間を構成する内壁面によって構成される、請求項1に記載の流体軸受の組み立て方法
  3. 前記第2の部分を構成する内壁面と、前記大径部を構成する内壁面であって前記第2の部分を構成する内壁面に隣接する内壁面とがなす角度は、80度以上100度以下である、請求項1または2に記載の流体軸受の組み立て方法
  4. 前記軸受孔内に前記シャフトを挿入する前の前記液体の液面曲率半径の最大値は、前記シャフトにおける前記スラスト部側の端面の曲率半径よりも大きい、請求項1〜のいずれか1項に記載の流体軸受の組み立て方法
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